as Klima der Erde wird durch eine Vielzahl von Faktoren und deren Zusammenwirken be- stimmt. Einen besonderen Ein- fluss auf das Klima haben die Ozeane, in denen gewaltige Strömungen Wassermassen transportieren. Denn mit diesen Strömungen und Wassermassen wird Wärme aus Äquatornähe Richtung Pol transportiert oder um- gekehrt. Dies zeigt sich z. B. im We- sten Irlands und Südwesten Eng- lands, wo die Ausläufer des Golf- stroms (benannt nach dem Golf von Mexiko) ein mildes Klima schaffen und so sogar das Wachstum von Pal- men ermöglichen. Auf gleicher Höhe in Nordamerika findet man solch Wärme liebende Pflanzen nur in geheizten Wohnungen. Der Unter- schied ist, dass vor Irland der Golf- strom als überdimensionale Fern- wärmeheizung funktioniert, die jede Stunde kostenlos und frei Haus die Heizleistung von 30.000 Millionen Tonnen Kohle liefert. Diese Zahl zeigt, wie hervorragend Wasser Wärme transportiert.
G o n d w a n a -
Ein Kontinent zerbricht
von Gabriele Uenzelmann-Neben, Johannes Rogenhagen und Christian Müller, Bremerhaven
Neben der eigentlichen Bedeutung der Meeresströmungen für das Kli-
ma ist aber entscheidend, wo die Strömungen verlaufen. Die Wege
der Strömungen in den Ozeanen sind nicht willkürlich; untermee-
rische Berge und Schwellen len- ken ihren Verlauf. Neben diesen Einflüssen der Topographie des Meeresbodens werden Strömun- gen in größerem Maße durch die geographische Lage der Konti- nente bestimmt. Jedem ist bei ei-
ca vier Millionen Jahren gab es eine solche Strömung. Erst durch die Lageänderung zweier Kontinente wurde sie unterbrochen. Nord- und Südamerika haben sich bei Panama über eine Landbrücke verbunden und so den Wasserfluss unterbun- den.Durch die Verschiebung der Kon- tinente, also die plattentektonische Veränderung der geographischen Lage, werden somit Änderungen der Meeresströmungen erzwungen (Abb. 1). Somit hat die plattentek- tonische Entwicklung der Erde im Verlauf der Erdgeschichte einen di- rekten Einfluss auf das Klima. Um einen Beitrag zum Verständnis der Entwicklung des Klimas zu leisten, versuchen wir, die plattentektoni- sche Entwicklung der Erde zu re- konstruieren. So können wir auch die heute auf der Erde ablaufenden Prozesse besser verstehen und ihre Bedeutung für das Klima einordnen.
Die Antarktis ist ein gutes Bei- spiel für das Zusammenspiel zwi-
schen plattentektonischer Dyna- mik, Meeresströmungen und Kli-
ma. Heute ist die Antarktis fast vollständig von Eis bedeckt. Le- diglich zwei Prozent der Ober- fläche sind eisfrei und ermögli- chen die geologische Untersu- chung der Gesteine. Die Antark- tis bildete zusammen mit Indien, Australien, Südamerika und Afri- ka den Super-Kontinent
nem Blick auf den Globus schnell einsichtig, dass es keine direkte Strömung vom Pazifik in die Karibik geben kann, da die Landmasse von Mittelamerika den Weg versperrt. Doch das war nicht immer so: Bis vor cir- Abb. 1: Zerfall des Superkontinents Gond- wana. Oben: Die einzelnen Kontinente im Gondwana-Verband vor 200 Millionen Jahren.
Mitte: Situation vor 85 Millionen Jahren. Unten:
Die Kontinente in ihrer heutigen Position. Rot: Ant- arktis, grün: Südamerika, gelb: Afrika, orange: Ara- bische Halbinsel, rosa: Indien, weinrot: Australien und Neuseeland. Schwarze Pfeile zeigen den Ver- lauf der Meeresströmungen.
'
Gondwana. Gondwana war nicht un- ter teilweise kilometerdickem Eis begraben. Fossilien zeugen von ei- nem gemäßigten und feuchten Kli- ma. Seit seiner Entstehung ist der Gondwana-Splitter Antarktis dage- gen erheblichen Klimaänderungen unterworfen worden.
Wie der Superkontinent Gondwa- na sich auflöste und welche Wege die großen Bruchstücke nahmen ist weitgehend bekannt (Abb. 1): Gond- wana begann vor 220 Millionen Jah- ren zu zerbrechen. Dabei trennte sich zunächst Ostgondwana, beste- hend aus der Antarktis, Indien und Australien, von Westgondwana, be- stehend aus Südamerika und Afrika.
Auch diese beiden Kontinente blie- ben nicht stabil, sondern zerfielen weiter (Abb. 1 Mitte). Vor 130 Mil- lionen Jahren teilte sich dann West- gondwana in Südamerika und Afrika auf, zwischen ihnen öffnete sich der Südatlantik. Indien begann seine Be- wegung in Richtung Norden vor 120 Millionen Jahren, während sich Au- stralien vor 95 Millionen Jahren von der Antarktis trennte (Abb. 1 Mitte).
Wie kam es aber zur Vereisung der Antarktis? Mit dem Zerfall Gondwanas blieb die Antarktis als einziger Kontinent in einer weit süd- lichen Position zurück. (Abb. 1 un- ten). Vor 27 Millionen Jahren öffne- te sich zwischen Südamerika und der Antarktis die Drake Passage.
Damit war die letzte Landverbin- dung der Antarktis zu einem der Nachbarkontinente abgerissen. Da- durch entwickelte sich eine die Ant- arktis umfließende Strömung, der Antarktische Zirkumpolarstrom (Abb. 1 unten). Diese bis heute be- stehende Ringströmung verhindert, dass warmes Wasser in die Nähe der Antarktis gelangt und sorgt so für eine thermische Isolation des Konti- nents. Die vollständige Vereisung der Antarktis ist die Folge.
Die großflächigen Einflüsse der Plattentektonik auf das Klima sind gut bekannt. Aber es gab mit Sicher- heit weitere Auswirkungen auf die Umwelt. Wenn das Auseinanderbre- chen Gondwanas zum Beispiel von verstärkter vulkanischer Aktivität
begleitet gewesen wäre, hätte die in die Atmosphäre geschleuderte Asche die Sonneneinstrahlung ver- ringert. Auch können die vielen klei- neren Fragmente im Puzzle der Kontinente Auswirkungen auf die Umwelt haben. Den Weg, den die größeren Kontinente beim Gondwa- na-Zerfall genommen haben, kennt man ziemlich genau. Nicht gut be- kannt sind aber die plattentektoni- schen Verschiebungen der kleineren Kontinentfragmente, wie der Ant- arktischen Halbinsel und Madagas- kars. Schon eines dieser Fragmente kann einer Meeresströmung einen vollkommen anderen Weg aufzwin- gen. Wo lagen diese Kontinentfrag- mente früher und welchen Weg nah- men sie, um ihre heutige Position zu erreichen?
Um diese Fragen zu beantworten, werden die Ränder der Kontinente und der Meeresboden mit geologi- schen und geophysikalischen Me- thoden untersucht. Die Kontinental- ränder repräsentieren die Kanten, an denen Gondwana auseinanderbrach.
Aber auch der Meeresboden zwi- schen den Kontinenten hat während seiner Entstehung wichtige Informa- tionen über die Entwicklungsge- schichte archiviert. Die genauesten Daten über Art, Alter und Prozesse,
die die Gesteine geprägt haben, lie- fert eine direkte Untersuchung des Gesteins. Leider ist eine direkte Pro- bennahme in der Tiefsee bis in tiefe- re Schichten nicht möglich oder sehr schwierig. Deshalb kommen so ge- nannte profilierende, geophysikali- sche Verfahren zum Einsatz, auf Grund derer die Auswahl viel ver- sprechender Bohr- und Beprobungs- punkte erfolgt. Die drei wichtigsten profilierenden Verfahren sollen hier kurz erläutert werden.
Die Seismik
Seismische Methoden führen zu ei- nem detaillierten Abbild des Unter- grundes entlang einer Geraden, ei- nes Profils. Hierfür werden künst- lich seismische Wellen erzeugt, die Erdbebenwellen entsprechen, aber wesentlich weniger Energie besit- zen. Diese Wellen werden in der marinen Seismik meistens mit so ge- nannten Luftpulsern ausgelöst, die in bestimmten Abständen unter Druck stehende Luft freisetzen. An Land setzt man kleine Sprengladun- gen oder Vibratorfahrzeuge ein. Die seismischen Wellen breiten sich im Untergrund aus und werden an Schichtgrenzen reflektiert (Abb. 2).
Sie laufen dann zurück Richtung
Abb. 2: Funktionsweise der marinen Seismik. Ein Schiff zieht eine Gruppe von Luftpulsern und einen Streamer hinter sich her. Die Luftpulser erzeugen seismische Wellen, die an Schichtgrenzen im Unter- grund reflektiert werden und wieder an die Oberfläche laufen. Dort werden sie von den Unterwasser- mikrophonen im Streamer registriert.
Abb. 3 (links): Wege der Erdbebenwellen zu den verschiedenen Registriersta- tionen auf der Erde (Bild Mitte) und durch die Erde (unten links) am Beispiel des Peru-Bebens vom 23. Juni 2001. An verschiedenen Lokationen werden Wellen registriert, die unterschiedliche Teile der Erde durchlaufen haben (un- ten links und rechts). Deutlich ist zu erkennen, dass sich seismische Wellen
verschiedenen Typs mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Erde bewegen und deshalb verzögert an den Registrierstationen ankommen. Pri- mär-Wellen sind am schnellsten, sie werden gefolgt von den Sekundär-Wellen (Bild oben).
klein, ihre Gesamtmenge in der kilo- meterdicken ozeanischen Kruste ist jedoch sehr hoch und deshalb erzeu- gen sie einen messbaren Effekt, die so genannte magnetische Anomalie.
Mit Hilfe der magnetischen Anoma- lien des Meeresbodens lässt sich feststellen, wann und wo welcher Teil der Kruste neu gebildet wurde.
Damit kann auch die Driftgeschichte der umliegenden Kontinente rekon- struiert werden.
Erdbebenbeobachtung oder Seismologie
In der Erdbebenbeobachtung wer- den seismische Wellen natürlicher Beben genutzt, um die Strukturen der Erde zu erkunden. Erdbebenwel- len haben eine wesentlich höhere Energie als künstlich erzeugte Wel- len, sie durchlaufen praktisch die gesamte Erdkugel. Die Erdbeben verursachen Bodenerschütterungen, die mit hochempfindlichen Geräten, so genannten Seismometern, regi- striert werden. Ein weltweites Re- gistriernetz zeichnet Daten auf, mit deren Hilfe sich die Strukturen des tiefen Erdinneren ableiten lassen.
Auf den Aufzeichnungen in Abbil- dung 3 sind verschiedene Wellen zu unterscheiden. Sie stammen von ei- nem Seismometer in der Antarktis und wurden am 23. Juni 2001 wäh- rend eines starken Bebens in Peru aufgenommen. Die Primär-Wellen (P-Wellen) kommen zuerst an, sie sind geradeaus durch die Erde ge- laufen. Werden die P-Wellen an der Oberfläche reflektiert, wie eine Bil- lardkugel an der Bande, brauchen sie aufgrund des längeren Weges mehr Zeit und treffen später ein.
Solche Wellen werden PP-Wellen genannt. PcP-Wellen werden an der Grenze zwischen Erdmantel und äu- ßerem Erdkern reflektiert, während PKP-Wellen durch sie hindurch lau- fen. Neben den P-Wellen misst man auch die Geschwindigkeiten der Se- kundär-Wellen (S-Wellen), die grundsätzlich langsamer laufen als P-Wellen. Die Unterschiede in der Laufzeit hängen vom zurückgeleg- ten Weg und den Eigenschaften des
durchlaufenen Gesteins ab.
Temperatur- und Druckunter- schiede im Inneren der Erde sowie die verschiedenen Minerale beein- flussen die Geschwindigkeit der Wellen. Die Geschwindigkeit ver- schiedener Wellen liefern also Hin- weise über das durchlaufene Ge- stein. Beispielhaft soll ein Gebiet im südlichsten Atlantik, das Agulhas Plateau, eine untermeerische Hoch- ebene südlich Afrikas, das mit die- sen Methoden untersucht wurde, hier näher beleuchtet werden. Die- ses Gebiet nimmt eine Schlüsselpo- sition in der Rekonstruktion des at- lantischen Sektors Gondwanas ein, da es an der Stelle lag, wo sich Süd- amerika, Afrika und die Antarktis aus Gondwana heraustrennten.
Das Agulhas Plateau
Das Agulhas Plateau ist ein unter- meerisches Plateau südlich von Afri- ka, das bis zu 2.500 Meter über den umgebenden Meeresboden ragt (Abb. 4). Das Agulhas Plateau ist durch eine Vielzahl von Vulkanen charakterisiert, die wahllos über das Plateau verstreut sind. Die über den Vulkanablagerungen liegenden Se- dimente sind ungestört, sie wurden nicht durch nachfolgende Vulkan- ausbrüche verändert. Das Alter der Sedimente von bis zu 90 Millionen Jahren zeigt daher das Mindestalter der letzten vulkanischen Aktivität an.Wie kommt es zur Bildung eines Plateaus mitten in einem ozeani- schen Tiefseebecken? Handelt es sich bei diesem Plateau um ein Fragment von Gondwana? Antwor- ten auf diese Fragen geben die Strukturen und die physikalischen Eigenschaften des Agulhas Plateaus.
Wichtige Parameter sind der Verlauf der Schichtgrenzen, die Dicke der Schichten und die Geschwindigkeit seismischer Wellen in den Gesteins- paketen. Wenn das Plateau ein Teil des früheren Kontinents Gondwana war, sollten oben genannte Parame- ter kontinentale Kruste anzeigen.
Die Kruste unter dem Agulhas Pla- teau ist mit bis zu 25 Kilometern für Oberfläche, wo sie von Messappara-
turen registriert werden. Im Wasser schleppt man dazu einen langen schwimmenden Schlauch hinter dem Schiff her, in dem hochfeine Druck- sensoren angeordnet sind (Abb. 2).
Auf der festen Erde werden die Schallwellen mit eingegrabenen Geophonen registriert. Die Schall- wellen werden aufgrund der unter- schiedlichen Gesteinseigenschaften der über und unter einer Schicht- grenze liegenden Gesteine reflek- tiert. Ein Wechsel der Gesteinsei- genschaften kann als Folge von Ero- sion auftreten, zum Beispiel durch ozeanische Strömungen oder als Er- gebnis tektonischer Vorgänge wie Verschiebungen der Gesteinsschich- ten gegeneinander. Er kann aber auch Änderungen in den Umweltbe- dingungen zur Zeit der Ablagerung anzeigen. Mit seismischen Metho- den kann man auch von jüngeren Sedimenten bedeckte Lavaströme, Zeugen vergangenen Vulkanismus, aufspüren.
Magnetische Eigenschaften Über geologische Zeiträume gese- hen ist die Ausrichtung des Erdmag- netfeldes keineswegs konstant, son- dern schwankt zwischen zwei Zu- ständen. In unregelmäßigen Abstän- den vertauschen sich Nord- und Südpol des Erdmagnetfeldes. Diese Abfolge von Umkehrungen oder Umpolungen des Feldes ist durch zahlreiche gesteinsmagnetische Un- tersuchungen weltweit dokumentiert und liefert eine der besten Zeitska- len der Erdgeschichte.
Beim Auseinanderdriften der Kontinente bildet sich in dem da- zwischen entstehenden Ozean stän- dig neue ozeanische Kruste. Magma fließt aus und erstarrt am Tiefsee- boden. Bestimmte Eisenoxide rich- ten sich wie winzige Magnete dabei nach dem vorhandenen Erdmagnet- feld aus. Nach Abkühlung des Mag- mas können sie sich nicht mehr be- wegen und speichern so die Ausrich- tung des Erdmagnetfeldes zum Zeit- punkt der Gesteinsbildung. Diese Magnete sind zwar mikroskopisch
ozeanische Kruste eigentlich zu dick. Für kontinentale Kruste hinge- gen ist sie wiederum viel zu dünn.
Die unteren 50 bis 70 Prozent der Kruste durchlaufen seismische Wel- len ungewöhnlich schnell. Die hohe Geschwindigkeit der Wellen und vor allem der große Anteil der Kruste, der durch sie charakterisiert wird, deuten eher auf ozeanische Kruste.
Vermutlich handelt es sich bei dem Agulhas Plateau um ozeanische Kruste, die durch zusätzlichen Ein- trag von Material aus dem
Erdmantel ungewöhnlich dick wur- de. Dies passiert zum Beispiel an so genannten Hotspots, an denen hei- ßes Material direkt aus dem Mantel in die Kruste aufsteigt. Beim Agul- has Plateau ist vermutlich der Ein- fluss des Bouvet Hotspots (benannt nach der Insel Bouvet im Südost-At- lantik) beteiligt gewesen, der sich vor 80-100 Millionen Jahren an der- selben Stelle befand wie das heutige Agulhas Plateau.
Nach diesen Befunden war das Agulhas Plateau kein Bestandteil Gondwanas, sondern wurde erst nach der Trennung Südamerikas von Afrika durch das Ausfließen von großen Mengen Lava neu gebildet.
Aktuelle Erdbebenaktivität in der Antarktis
Trotz seiner bewegten Vergangen- heit ist der Rand des antarktischen Kontinents heute relativ ruhig. Häu- fige Erdbebentätigkeiten findet man an aktiven Plattengrenzen, sie haben eine hohe Seismizität. Doch seismi- sche Aktivität kann auch unabhängig von aktiven Plattenrändern existie- ren. Solche Zonen sind meist Gebie- te, in denen die Kruste geschwächt ist.Der antarktische Kontinent zeich- net sich durch eine sehr geringe Erdbebenaktivität aus (Abb. 5, Ein- schub links oben, Erdbeben sind durch rote Punkte gekennzeichnet).
Inzwischen wurde festgestellt, dass die in der Antarktis auftretenden Erdbeben aufgrund ihrer geringen Stärke einfach nicht registriert wur- den, da nur wenige hochempfindli- che Messgeräte installiert waren.
Seit 1997 wird in der Nähe der deut- schen Antarktisstation Neumayer
ein so genanntes seismologisches Array betrieben (in Abb. 5 gekenn- zeichnet durch das internationale Kürzel VNA2). Ein Array ist eine bestimmte Anordnung von mehreren Seismometern, das wie eine Antenne
für seismische Wellen wirkt. Damit sind auch schwache lokale und re- gionale Beben zu orten. Mit diesem Array wurden zwei Regionen in der Nähe des antarktischen Kontinental- randes gefunden, in denen regelmä- ßig schwache Erdbeben stattfinden.
Eine dieser Regionen hoher seismi- scher Aktivität befindet sich im Ju- tul-Penck-Graben, einer geologi- schen Struktur, die als krustale Schwächezone bekannt ist. Die ak- tuellen Erdbebenmessungen zeigen, dass diese Region auch heute noch aktiv ist.
Der Einschub rechts unten in Ab- bildung 5 zeigt die Aufzeichnungen aller Messgeräte in dieser Region während eines Bebens. Deutlich sind die P-Wellen und die etwa 30 Sekunden später eintreffenden S- Wellen zu erkennen. Diese Beben könnten mehrere Ursachen haben.
Es könnte sich um eine andauernde tektonische Aktivität in der Antarktis handeln, oder es könnte aber auch sein, dass die Erdkruste sich als Re- aktion auf das Abschmelzen der noch dickeren Gletscher der eiszeit- lichen Antarktis hebt. Solche nach- eiszeitlichen Bewegungen werden heute auch in Skandinavien beob- achtet.
Abb. 4: Aufbau des Agulhas Plateaus, wie er sich im seismischen Bild dar- stellt. Eine Reihe von Vulkanen kennzeichnet das Plateau, von denen Lava- flüsse ausgehen. Diese sind als starke Reflexion im seismischen Bild zu er-
kennen. Darüber befinden sich Sedimente. Durch Erosion sind bis zu 90 Mil- lionen Jahre alte Sedimente am Meeresboden zugänglich.
Gabriele Uenzelmann-Neben arbeitet als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeres- forschung (AWI) in Bremerhaven. Als Geophysikerin beschäftigt sie sich mit der plattentektonischen Geschichte des Antarkti- schen Kontinents und den Folgen für Strömungen und Sediment- ablagerungen. Sie schrieb diesen Aufsatz zusammen mit Johan- nes Rogenhagen und Christian Müller, ebenfalls am AWI tätig.
Anschrift: Dr. G. Uenzelmann-Neben
Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung
Columbusstrasse 27568 Bremerhaven
e-mail: guenzelmann@awi-bremerhaven.de Abb. 5: Erdbebenaktivität der Antarktis und angrenzender Platten. Beobach-
tete Erdbebenlokationen liegen vor allem an den Plattengrenzen, als rote Punkte im Einschub links oben dargestellt (SAmer: südamerikanische, Afr:
afrikanische, Ant: antarktische, Aust: australische, Pac: pazifische Platte). Der Antarktische Kontinent zeichnet sich durch eine geringe Erdbebenaktivität
aus. Genauere Untersuchungen mit Hilfe eines seismologischen Arrays an der Neumayer Station (rote Punkte in der großen Karte) haben jedoch auch schwache Beben im Jutul-Penck-Graben festgestellt (rote Sterne auf der gro- ßen Karte). Der Einschub rechts unten zeigt die Registrierungen eines Be- bens aus dem Jutul-Penck-Graben.
Fragen zur vulkanischen Aktivität beim Gondwana-Zerfall, den Gond- wana-Splittern und zur Entwicklung des Zirkumpolarstromes in den letz- ten Jahren zum Teil beantwortet werden. Der Zerfall Gondwanas ist mit erheblicher vulkanischer Aktivi- tät verbunden gewesen. Sowohl im östlichen Weddellmeer als auch am Agulhas Plateau finden sich Hinwei- se auf starken Vulkanismus. Es han- delt sich aber um verschiedene Pha- sen: im östlichen Weddellmeer fand er vor ca. 180 Millionen Jahren statt, im Gebiet des Agulhas Pla- teaus vor 80-100 Millionen Jahren.
Das Agulhas Plateau galt bisher im- mer als eine Struktur, die im Gond- wana-Verbund mit dem Falkland Plateau zusammenhing. Neuere Un- tersuchungen konnten zeigen, dass das Agulhas Plateau erst nach dem Zerfall Gondwanas entstanden ist.
Die bisher bekannten Modelle zur Rekonstruktion Gondwanas müssen also überarbeitet werden.
Literaturhinweise
H.-P. Harjes, R. Walter (1999): Die Erde im Visier. Springer, ISBN 3- 540-66027-5.
Internetadresse des Alfred-Wegener- Instituts: http://awi-bremerhaven.de/
Research/geowissensek2.html
